二级稀释比参数对颗粒物采样的影响研究

杨文鑫

摘要：通过全流稀释采样系统（CVS）对某柴油机的颗粒物PM排放进行采样分析。CVS系统的二级稀释比由颗粒物采样流量和二级稀释空气流量来确定。在国六排放法规标准的要求下，通过改变颗粒物采样流量和二级稀释空气流量，分别对该发动机进行了WHSC稳态循环试验，分析二级稀释比参数的变化对颗粒物PM采样结果的影响。结果表明，随着颗粒物采样流量和二级稀释空气流量，颗粒物PM排放结果都呈降低的趋势。

Abstract： PM emission of a diesel engine was sampled and analyzed by full flow dilution sampling system（CVS）. The secondary dilution ratio of the CVS system was determined by the particulate sampling flow rate and the secondary dilution air flow rate. According to the requirements of the national six emission regulations and standards， the WHSC steady-state cycle test was carried out on the engine by changing the particulate sampling flow and the secondary dilution air flow. The influence of the change of the secondary dilution ratio parameters on the particulate PM sampling results was analyzed. The results showed that PM emission decreased with the particulate sampling flow and secondary dilution air flow.

關键词：CVS;国六标准;二级稀释比;PM

Key words： CVS;national standard VI;secondary dilution ratio;PM

0  引言

机动车尾气排放已经成为空气环境污染的重要组成部分，其中，柴油车是移动源污染的主要贡献者。在生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2019）》指出：2018年全国范围内，机动车排放颗粒物（PM）达到44.2万吨，其中柴油车的颗粒物（PM）排放量超过机动车排放总量的90%，是机动车污染防治的重中之重[1]。随着国六法规标准的实施，对颗粒物（PM）的测试和评价技术提出了新的要求。

本文通过CVS全流稀释系统对某柴油机排放的颗粒物PM进行采样测试，通过改变二级稀释比的相关参数（颗粒物采样流量和二级稀释空气的流量），分别对该发动机进行WHSC稳态试验循环，研究二级稀释比参数的变化对颗粒物PM采样的影响。

1  试验对象和试验方法

1.1 试验对象及测试设备

试验发动机为某压燃式增压中冷柴油机，后处理型式为DOC+DPF+SCR+ASC。试验用来采样的排放测试设备为某CVS全流稀释采样系统，测量精度≤2%。使用超微克天平对颗粒物的质量进行称量，测量范围为0-2.1g，可读性为0.0001mg。系统使用两级稀释系统，发动机排气在稀释通道内通过初级稀释混合后，还可以通过二级稀释空气对其再次稀释，稀释空气为经过处理后的温度恒定的洁净空气。

总稀释比q由初级稀释比q1和二级稀释比q2相乘。其中，初级稀释比q1为CVS系统的质量流量与发动机排气质量流量的比值，二级稀释比q2为颗粒物采样流量与二级稀释空气流量的比值。稀释比的计算如下：

式中：Gcvs为CVS当量的质量流量，kg/h;Gexh为发动机排气当量的质量流量，kg/h;Gfilt为颗粒物采样的流量，L/min;Gair为二级稀释空气的流量，L/min。

可以看出，由于发动机的最大排气质量流量是确定的，当CVS流量确定后，发动机的初级稀释比也将确定。因此，通过改变颗粒物采样流量和二级稀释空气流量可以改变二级稀释比的大小，从而改变总稀释比的大小。

1.2 试验方法

1.2.1 发动机测试工况的选择

试验采用的测试工况为国六法规中要求的全球统一的稳态试验循环（WHSC），WHSC包含共13个转速规范值和扭矩规范值的工况，在试验时，根据发动机的瞬态性能曲线将百分值转化成实际值。发动机按各个工况规定的时间运行，在20±1s内以线性速度完成发动机转速和扭矩的转换。在整个试验循环过程中测定排气污染物浓度、排气流量等，测量值是整个循环的平均值。颗粒物取样经稀释空气连续稀释并收集到合适的单张滤纸上[2]。

1.2.2 CVS流量和二级稀释比的选择

CVS流量应该根据发动机在额定点的最大排气质量流量来进行选择，额定点的最大排气质量流量可由额定点的比油耗和发动机进气质量流量来确定。

发动机在额定点时，初级稀释比的计算公式为：

该系统的CVS流量共有15个可选择档（15、25、30、40、45、50、55、65、70、75、80、90、95、105、120m3/min），CVS流量的选择应该根据国六排放法规标准的要求，保证初级稀释比不小于2：1。但由于初级稀释比较小的话，可能会导致发动机经过稀释后的排气温度较高，以及对发动机排放尾气的稀释混合不均匀，从而影响最终的排放测量结果。因此，本试验最终选择的CVS流量为45m3/min，此时的初级稀释比为4.4138。

二级稀释比由颗粒物采样流量（后文简称初级流量）和二级稀释空气流量（后文简称二级稀释流量）决定。其中，颗粒物采样流量为经过滤纸的流量和二级稀释空气流量之和。二级稀释比的確定应该根据国六排放法规标准的要求，保证总稀释比在5：1-7：1范围内。

2  试验结果分析

初级流量对颗粒物PM采样的影响：

在其他试验条件不变的前提下，将二级稀释流量设置为10L/min，初级流量分别设为50，55，60L/min进行WHSC稳态循环试验，这3次试验的总稀释比分别为5.5172，5.3946，5.2965。

在颗粒物采样的过程中，经过滤纸前的样气温度和经过滤纸的迎面速度是重要参数，应结合起来分析，其中国六排放法规标准对采样滤纸前温度的要求为47±5℃，对经过采样滤纸的迎面速度的要求是0.90-1.00m/s。

通过这3次试验可以看出在不同初级流量的情况下采样滤纸前温度和经过滤纸迎面速度的变化趋势，如图1示。

从图中可以看出，随着初级流量的增大，采样滤纸前的样气温度逐渐减小，经过采样滤纸的迎面速度逐渐增大。这是因为在二级稀释空气流量不变的前提下，随着初级流量的增大，经过滤纸的样气流量也增大，从而经过滤纸的迎面速度增大;另外，CVS系统的颗粒物采样系统采用了恒温装置，设定温度为47℃，精度±0.1℃，以保证达到国六排放法规标准对采样滤纸前温度为47±5℃的要求。由于CVS稀释通道内的排气混合气温度较低，当初级流量增大后，经过滤纸的样气流量也增大，颗粒物采样系统的恒温装置对样气的保温能力减弱，所以滤纸前的温度略微减小。不同初级流量下的颗粒物称重结果和比排放结果如表1示。

从表中可以得知，颗粒物PM的比排放结果和称重结果均随初级流量的增大而减小。这是因为滤纸迎面速度的提高，排气混合气在CVS稀释通道内的滞留时间减少，碳烟颗粒吸附HC及液相颗粒积累时间减少，因而滤纸采集到的颗粒物结果减小。

在其他试验条件不变的前提下，将颗粒物采样流量设置为60L/min，二级稀释空气流量分别设为10，15，20L/min，然后进行WHSC稳态循环试验。这3次试验的总稀释比分别为5.2965，5.8850，6.6207。

通过这3次试验可以看出在不同二级稀释流量下的颗粒物采样滤纸前的温度和颗粒物采样滤纸的迎面速度的变化趋势，如图2所示。

从图中可以看出，随着二级稀释流量的增大，颗粒物采样滤纸前的样气温度逐渐降低，经过颗粒物采样滤纸的迎面速度逐渐增大。这是因为在初级流量保持不变的前提下，随着二级稀释空气流量的增加，对经过采样滤纸的样气的降温效果增强，因此采样滤纸前的样气温度略微降低。同时，由于初级流量为经过采样滤纸的流量和二级稀释空气流量之和，随着二级稀释空气流量的增加，通过采样滤纸的流量减少，因此，采样滤纸的迎面速度略微降低。

不同二级稀释空气流量下的颗粒物称重结果和比排放结果如表2所示。

从表中可以得知，PM的比排放结果和称重质量均随二级稀释流量的增大而减小。这可能是因为在初级流量保持不变的前提下，由于初级流量为经过采样滤纸的流量和二级稀释空气流量之和，随着二级稀释空气流量的增加，经过采样滤纸的样气流量减小，导致滤纸采集到的颗粒物减少。

3  总结

通过改变CVS系统的二级稀释比参数，结合国六排放法规标准的要求，分析了颗粒物采样流量和二级稀释空气流量对颗粒物PM采样结果的影响，得到以下结论：

①随着颗粒物采样流量的增大，颗粒物PM采样结果呈降低趋势;②随着二级稀释空气流量的增大，颗粒物PM采样结果呈降低趋势。

参考文献：

[1]生态环境部.中国移动源环境管理年报（2019）[R].北京：生态环境部，2019.

[2]环境保护部.GB 17691—2018，重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境出版社，2018.

[3]常英杰.柴油机排气污染物预测模型及颗粒测量系统的研究[D].山东：山东大学，2013.

[4]刘俊女，董黎明，陈诗梦.柴油机颗粒物及重金属比排放特征研究[J].环境污染与防治，2013，35（4）：43-46.

[5]石则强，师颖，叶松，等.全流定容取样系统的原理和标定方法研究[J].交通节能与环保，2014（3）：48-53.